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加州理工学院研究出汗水驱动的电子皮肤,可以监测健康

我们的皮肤也可以告诉外界很多关于我们的事情。小时候,妈妈会用手摸我们的额头,看我们是不是发烧了。约会时,我们可能会在亲密的交谈中看到对方脸颊上泛起红晕。健身房的人可能会从你身上的汗珠推断出你正在进行很好的锻炼。

但是加州理工学院医学工程系Andrew and Peggy Cherng系的助理教授高伟(Wei Gao)希望从您的皮肤中了解更多有关您的知识。这种电子皮肤由柔软而有弹性的橡胶制成,可以嵌入传感器,监测心率、体温、血糖水平、代谢副产物等健康指标,甚至可以监测控制肌肉的神经信号。它不需要电池,因为它完全依靠生物燃料电池,而生物燃料电池是由人体自身的废物产生的。

高伟说:“这类可穿戴设备面临的主要挑战之一是电源。很多人会使用电池,但这不是很可持续。有些人尝试过使用太阳能电池或利用人体运动的能量,但我们想到了新方法知道,‘我们能从汗水中获得足够的能量来为可穿戴设备提供动力吗?’答案是肯定的。”

高伟解释说,人体汗液中含有大量的化学乳酸盐,这种化合物是正常代谢过程的副产品,尤其是运动过程中肌肉产生的。电子皮肤内置的燃料电池吸收乳酸并与大气中的氧气结合,产生水和丙酮酸,这是新陈代谢的另一个副产品。当它们运行时,这些生物燃料电池产生足够的电力给传感器和蓝牙设备供电,类似于将手机和汽车音响连接起来的蓝牙设备,允许电子皮肤通过传感器无线传输数据。

“虽然近场通信是许多无电池电子皮肤系统的常用方法,但它只能用于非常短的距离内的电力传输和数据读取,”高伟说。“蓝牙通信功耗更高,但对于实际的医疗和机器人应用来说,它是一种更具吸引力的扩展连接方式。”

高伟说,设计一种可以靠汗水驱动的电源并不是制造电子皮肤的唯一挑战;它还需要有长运行时间,高功率强度和。这种生物燃料电池是由碳纳米管制成的,碳纳米管浸渍在铂/钴催化剂和复合网格中,复合网格中含有一种分解乳酸的酶。它们可以在人体汗液中连续数天产生连续、稳定的功率输出(最高可达每平方厘米几毫瓦)。

高伟表示,该计划是开发多种可以嵌入电子皮肤的传感器,这样它就可以用于多种用途。

“我们希望这个系统成为一个平台,”他说。“除了可穿戴的生物传感器,这还可以是一个人机界面。利用该平台收集的生命体征和分子信息可用于设计和优化下一代假肢。”

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